Che cos'è la centrifugazione e perché viene utilizzata

Il termine centrifuga può riferirsi a una macchina che ospita un contenitore a rotazione rapida per separarne il contenuto densità (sostantivo) o all'atto di usare la macchina (verbo). Le centrifughe vengono spesso utilizzate per separare liquidi diversi e particelle solide dai liquidi, ma possono essere utilizzate per i gas. Sono anche usati per scopi diversi dalla separazione meccanica.

La moderna centrifuga fa risalire le sue origini a un apparato a braccio rotante progettato nel 18 ° secolo dall'ingegnere militare inglese Benjamin Robins per determinare la resistenza. Nel 1864, Antonin Prandtl applicò la tecnica per separare i componenti di latte e panna. Nel 1875, il fratello di Prandtl, Alexender, perfezionò la tecnica, inventando una macchina per estrarre il grasso di burro. Mentre le centrifughe sono ancora utilizzate per separare i componenti del latte, il loro uso si è esteso a molte altre aree della scienza e della medicina.

Una centrifuga prende il nome da forza centrifuga—La forza virtuale che tira verso l'esterno gli oggetti che ruotano.Forza centripetaè la vera forza fisica al lavoro, che tira verso l'interno gli oggetti che ruotano. Girare un secchio d'acqua è un buon esempio di queste forze al lavoro.

Se il secchio gira abbastanza velocemente, l'acqua viene tirata verso l'interno e non fuoriesce. Se il secchio è riempito con una miscela di sabbia e acqua, la rotazione produce centrifugazione. Secondo il sedimentazione in linea di principio, sia l'acqua che la sabbia nel secchio saranno attratte dal bordo esterno del secchio, ma il denso le particelle di sabbia si depositeranno sul fondo, mentre le molecole di acqua più leggere saranno spostate verso il centro.

L'accelerazione centripeta simula essenzialmente una maggiore gravità, tuttavia, è importante tenere presente la gravità artificiale è un intervallo di valori, a seconda di quanto è vicino un oggetto all'asse di rotazione, non una costante valore. L'effetto è maggiore quanto più un oggetto ottiene perché percorre una distanza maggiore per ogni rotazione.

I tipi di centrifughe sono tutti basati sulla stessa tecnica ma differiscono nelle loro applicazioni. Le principali differenze tra loro sono la velocità di rotazione e il rotore design. Il rotore è l'unità rotante nel dispositivo. I rotori ad angolo fisso mantengono i campioni ad angolo costante, i rotori a testa oscillante hanno una cerniera che consente ai recipienti di campionamento di oscillare verso l'esterno all'aumentare della velocità di centrifuga e le centrifughe tubolari continue hanno una camera singola anziché un singolo campione camere.

Separazione di molecole e isotopi: Centrifughe e ultracentrifughe ad altissima velocità ruotano a velocità così elevate da poter essere utilizzate per separare molecole di masse diverse o addirittura isotopi di atomi. La separazione isotopica viene utilizzata per la ricerca scientifica e per produrre combustibile nucleare e armi nucleari. Ad esempio, una centrifuga a gas può essere utilizzata per arricchire uranio, poiché l'isotopo più pesante viene tirato verso l'esterno più di quello più leggero.

Nel laboratorio: Le centrifughe da laboratorio ruotano anche a velocità elevate. Possono essere abbastanza grandi da stare su un piano o abbastanza piccoli da appoggiarsi su un bancone. Un dispositivo tipico ha un rotore con fori angolati per contenere provette. Poiché le provette del campione sono fissate ad angolo e la forza centrifuga agisce sul piano orizzontale, le particelle si spostano di una piccola distanza prima di colpire la parete del tubo, permettendo al materiale denso di scivolare giù. Mentre molte centrifughe da laboratorio hanno rotori ad angolo fisso, sono comuni anche i rotori a tazze oscillanti. Tali macchine sono impiegate per isolare componenti di liquidi immiscibili e sospensioni. Gli usi includono la separazione dei componenti del sangue, l'isolamento del DNA e la purificazione dei campioni chimici.

Simulazione ad alta gravità: Centrifughe di grandi dimensioni possono essere utilizzate per simulare l'alta gravità. Le macchine hanno le dimensioni di una stanza o di un edificio. Le centrifughe umane vengono utilizzate per addestrare i test pilota e condurre ricerche scientifiche relative alla gravità. Le centrifughe possono anche essere utilizzate come giostre per parchi di divertimenti. Mentre le centrifughe umane sono progettate per andare fino a 10 o 12 gravità, le macchine non umane di grande diametro possono esporre campioni fino a 20 volte la gravità normale. Lo stesso principio può un giorno essere usato per simulare la gravità nello spazio.

Centrifughe industriali vengono utilizzati per separare i componenti dei colloidi (come crema e burro dal latte), nella preparazione chimica, nella pulizia dei solidi dal fluido di perforazione, nei materiali di essiccazione e nel trattamento delle acque per rimuovere i fanghi. Alcune centrifughe industriali si affidano alla sedimentazione per la separazione, mentre altre separano la materia utilizzando uno schermo o un filtro. Le centrifughe industriali sono utilizzate per fondere metalli e preparare prodotti chimici. La gravità differenziale influenza la composizione della fase e altre proprietà dei materiali.

Applicazioni quotidiane: Le centrifughe di medie dimensioni sono comuni nella vita quotidiana, principalmente per separare rapidamente i liquidi dai solidi. Le lavatrici usano la centrifugazione durante la centrifuga per separare l'acqua dalla biancheria. Un dispositivo simile fa uscire l'acqua dai costumi da bagno. I filatori di insalata, usati per lavare e quindi centrifugare la lattuga secca e altre verdure, sono un altro esempio di una semplice centrifuga.

Mentre la centrifugazione è l'opzione migliore per simulare l'alta gravità, esistono altre tecniche che possono essere utilizzate per separare i materiali. Questi includono filtrazionesetacciatura, distillazione, decantazione, e cromatografia. La migliore tecnica per un'applicazione dipende dalle proprietà del campione utilizzato e dal suo volume.